Schaltnetzteil mit NE555 - für höhere Leistung, stabilisiert

Hallo Michael,

Die "schnellen" BJT sind in ihrem linearen Arbeitsbereich (als Verstärker) schneller, aber beim Schalten immer noch langsamer als ein MOSFET. Schnelle BJTs haben zwar eine ausgezeichnete Einschaltzeit, aber sie haben grundsätzlich immer noch Probleme mit dem schnellen Ausschalten (verglichen mit einem MOSFET). Das ist nicht nur beim MJ15003 so, an dem ich das (zeitverzögerte) Ausschaltproblem gezeigt hatte.

Gruß
Reinhard

Als Schalter verwendet, musst Du nicht die Exemplare durchmessen.

Was man hier bevorzugt nimmt
Spannungsfestigkeit (Drain-Source) von 200 V oder mehr (wegen induktiver Last).
Ein- und Ausgangskapazität in dem vorher von mir genannten Bereich (also Kategorie "langsam"). Damit ist Verlust an Wirkungsgrad ca. < 5% rel. zu schnellem MOSFET, zugunsten weniger HF-Störung.
ON-Widerstand möglichst klein (< 0,3 Ohm)
Drain-Strom (on) 5 A oder mehr

Ich hatte ja drei ganz verschiedene Typen getestet und mich für den langsamsten entschieden (IRFP460A). Der IRFP240 ist davon sehr verschieden, kann aber genauso ohne Schaltungsänderung genommen werden, sogar der IRF740. Also vergleichsweise unkritisch. Exemplarstreuung ist nochmal geringer als die Typunterschiede, ganz unkritisch.

Deine Bedenken kommen von der Verwendung als Leistungstransistoren in Verstärkern her. Dort arbeiten sie ja anders (linearer Betrieb) und dabei spielen ganz andere Anforderungen eine Rolle als hier als Ein-/Aus-Schalter. Für Leistungsendstufe in Verstärkern hast Du mit Deinem Vorbehalt Recht. Kann ich bestätigen, dort ist die Exemplarstreuung ein Thema.

Gruß
Reinhard

Da sie sich nicht wesentlich ändern, wenn ich IRFP240 durch IRF740 ersetze, wird Einzelexemplarstreuung vernachlässigbar sein, vermute ich. Mit IRFP460A ist die Störung etwas kleiner - erwartungsgemäss, da langsamerer MOSFET. Wer aber große Unterschiede erwartet, wird schnell enttäuscht.

Eingangskapazität 1300 pF oder 1400 pF ist, da merke ich keinen Unterschied. Ist sie aber 4200 pF, schon. Die Zusammensetzung der Störungen ist sicher davon abhängig. In den Störpulsen an den Schaltflanken mit doppelter NE555-Taktfrequenz sind verschiedene Frequenzen zwisch ca. 1 MHz und bis über 30 MHz enthalten, die sich in Abhängigkeit der parasitären Kapazitäten ändern. Die relative Amplitude, mit der die Störung auftaucht ist, worauf mein Hauptaugenmerk ruht. Ob 100 kHz Rechteck mit all seinen ungeradzahlingen Oberwellen oder 10 oder mehr MHz Sinus, es stört ja alles.

Das Messen selbst ist schon nicht ganz trivial, weil eingestrahltes Feld und leitungsgebundene Störungen vorhanden sind. Und das E- und H-Feld verseucht wieder Leitungen, die bereits "gesäubert" waren, weil sie wie eine Antenne empfangen. Du muss nur die Oszilloskop-Prüfspitze frei in die Luft halten, wie einen gehobenen Zeigefinger. Schon empfängst Du damit die wunderbare Rechteckfunktion, ohne die Spitze irgendwo angeschlossen zu haben. Und steckst Du dann noch die Klemmspitze vorne drauf, vergrössert sich gleich die Amplitude auf das Vierfache. Das abgestrahle Feld geht auf alle Leitungen und verursacht dort Gleichtaktstörungen zusätzlich zu den bereits vorhandenen leitungsgebundenen Störungen. Unterschiedlicher Leitungsinduktivitäten sorgen dafür, dass sich die am Ausgang nicht ganz aufheben und da immer "etwas" ankommt. Die Frage ist, was man wirklich misst, Schmutzeffekte aus der Luft (Äther, Feldwirkung) oder wirklich Störungen auf dem Ausgang selbst.

Gruß
Reinhard

es geht weiter mit dem DC-Gleichspannungswandler-Projekt...


Vorab noch zwei Verbesserungen am bereits vorgestellten Schaltungsteil:

Mit dem 1 nF/39 Ohm RC-Snubber-Glied über dem MOSFET waren immer noch etwas Überschwinger im Oszillogramm der Drainspannung vorhanden. Die "beste" Anpassung des RC-Glieds war also nicht ganz erreicht. Das Optimum wurde mit 10 nF / 22 Ohm erreicht. Mit Simulation und auch in der praktischen Erprobung gab es gleich gute Resultate. Nur noch ein leichter Aufsatz der Schwingung auf dem Rechteck, dann sofortige Dämpfung. Bilderbuchmässiges Ergebnis!

Drain-Spannung (Ub=12 V)

a) Simulation für MOSFET-RC-Dämpfungsglied 10 nF / 22 Ohm (MOSFET: IRFP240)


b) Messung (Ub=12 V) (MOSFET: IRFP460A)



Den Gate-Vorwiderstand auf 50 Ohm ( 2 x 100R parallel) geändert:

Gate-Spannung (UB=12 V)

a) Simulation (MOSFET: IRFP240)


b) Messung (MOSFET: IRFP460A)



Weiter habe ich den Keramikkondensator zwischen den beiden endständigen Trafo-Sekundärausgängen von 2,2 nF auf 3,3 nF vergrössert, um noch ein klein wenig mehr Leistung zu erhalten.

Schaltung bis Gleichrichter mit den genannten Änderungen:



Hinter dem Gleichrichter folgen LM317 / LM337 Spannungsregler mit variabel einstellbarem Regelwiderstand über ein 10 kOhm (lin) Stereopoti. Hinter dem Gleichrichter wurden Drosseln eingefügt, je eine radiale Zylinderdrossel 100 µH / 1 A (Reichelt) in den + und - Spannungszweig und eine 80 µH, 2 A, Ringkerndrossel (Ringkern-Material T68-52, AL=40, Ae= 0,179 cm^2, 45 Windungen. Sättigungsstrom 4 A bei 400 mT, Pollin).
Zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen folgt hinter den Spannungsreglern eine Ringkern-Gleichtaktdrossel mit 2 x 68 µH (aus altem PC-Schaltnetzteil ausgebaut). Alle Drosseln sind Ein- und Ausgangsseitig mit Kondensatoren abgeblockt (C-L-C).




Die Unterdrückung der elektromagnetischen Störungen war ein Auf und Ab, Vor und Zurück.
Anfangs hatte ich eine recht gute Unterdrückung, bei Ub=12 V nur ca. 27 mVss Störsignal, allerdings mit einer 380 µH Ringkern-Drossel in der sekundären GND-Leitung, die rechnerisch allerdings schon bei ca. 120 mA in die Sättigung kommt (Ringkern AL = ca. 5500, Ae = ca. 15 mm^2, L = 400 µH, 8 Windungen) und auch sonst nicht so prickelnd war, bei 2 MHz nur noch Impedanz von 800 Ohm.

Andreas hatte mich dann darauf aufmerksam gemacht, dass Pollin derzeit eine Drossel "XFMRS 0547 (XF0806S11) mit 80 µH / 2 A im Sonderangebot hat, die geeigneter ist. Mit der habe ich die 380 µH Ringkerndrossel ersetzt. Daraufhin hat sich das Störspektrum verändert und ich komme bei Ub = 12 V nur noch auf 40 mVss Störspannungspegel, allerdings deutlich niederfrequenter. Im Störpeak ist eine 2 MHz-Schwingung erkennbar.

Der Störpegel auf dem Ausgang ist praktisch nur von der Eingangs-(Versorgungs) Spannung U_b abhängig und kaum/nicht vom Ein- oder Ausgangsstrom oder der Ausgangsleistung.

Störpegel bei U_b = 12 V (Vertikal: 20 mV/DIV)


Störpegel bei U_b = 9 V


Störpegel bei U_b = 6 V

Das EMI-Störsignal sieht aus wie ein verkleinertes Abbild der Schwingung (ca. 2 MHz) auf den Trafo-Ausgängen. Es beträgt an den Gleichrichterausgängen (an den Ladeelkos) immer noch ca. 3,5 - 4 Vss. Ich erreiche mit allen Dämpfungsmassnahmen also eine Verringerung auf ca. 1 %. Tiefer komme ich aber trotz vieler Bemühungen (andere Drosseln, zusätzliche Kerkos) nicht.

Trafo-Ausgänge:


Gleichrichter-Ausgänge:



Ob sich der Störpegel noch etwas absenkt, nachdem die Schaltung ihr Gehäuse bekommen hat (Alu), werde ich sehen. Viel Hoffnung mache ich mir allerdings nicht. Und,...wird Mittelwelle gestört? Klares ja, bis 1 m Abstand bei Schaltung ohne Metallgehäuse, geprüft mit Kofferradio.
Ist eine Versorgung eines AM-Radios störungsfrei möglich (leitungsgebundene Störungen)? Das werde ich noch testen.


Ich zeige auch noch die Leistungsdaten.


Gruß
Reinhard

Es lief immer schon rund!

Gruß
Reinhard

Gesamtansicht der Platine

Der Kühlkörper für den MOSFET und die "Kupferfolien-Bauchbinde" (sog. Flussband) am Trafo haben je eine Masseverbindung zur primären Masse (Minuspol der Betriebsspannung) bekommen, weil sich das günstig auf die Störamplitude ausgewirkt hat.

Die Versorgungsspannung wird mit einer Sicherung 1,6 A /MT abgesichert. Kommt noch ein Einschalter dazu, eine Hohlsteckerbuchse für die Betriebsspannung und vielleicht noch eine LED zur Betriebsanzeige.








Ich hatte auch RC-Dämpfungsglieder über den Gleichrichterdioden ausprobiert (330 pF / 10 Ohm), hat aber so gut wie nichts gebracht. Geschadet haben sie aber auch nicht. Habe sie belassen (zum Testen durch Durchzwicken der Widerstandsanschlüsse testweise deaktiviert, danach wieder verlötet).


Das Ganze bekommt auch ein Alu-Häuschen, ist fast fertig:




Gruß
Reinhard

Nach mehreren Videos im Internet, in der die Rolle eines Folien/Film Kondensators besprochen wurde, der bei Schaltnetzteilen mit galvanisch getrenntem Ausgang (also mit Trafo-Kopplung) verwendet wird, habe ich diesen bisher bei mir noch fehlenden Kondensator nachgerüstet.


(Spannungsregler und Ausgangsbeschaltung wie vorstehend, aber hier nicht eingezeichnet)


Der (hier rot markierte) Folien-Kondensator verbindet die primärseitige Masse (Minuspol von U_b) mit der isolierten sekundärseitigen Masse. Und zwar sekundärseitig im Stromweg VOR der 80 µH Drossel. Er soll ausreichend große Kapazität haben und (in dieser Schaltung) spannungsfest (bis über 200 V) sein. Ausreichend große Kapazität heisst, deutlich grösser als die parasitäre im Trafo einkoppelnde Kapazität, die vielleicht 50 pF ist.

Große Kapazität, damit die kapazitive Reaktanz (Blindwiderstand) für den Störstrom möglichst gering ist. Man kann keinen Elko verwenden, da wir es hier ja mit Störfrequenz im (unteren) MHz-Bereich zu tun haben, bei so hohen Frequenzen hat ein Elko zu hohe Impedanz aufgrund seiner hohen parasitären Induktivität. Ich habe einen 0,47 µF / 275 V X2-Kondensator eingesetzt. Hohe Spannungsfestigkeit ist erforderlich, da vom MOSFET beim Ausschalten ein starker Spannungspuls erzeugt wird. Der wird zwar durch das Dämpfungsglied gezähmt. aber der Kondensator sollte sich nicht allein darauf verlassen müssen.

I. a. wird ein Keramik-Kondensator der Y-Klasse an dieser Stelle empfohlen. Die (meist blauen) Y-Keramikkondensatoren haben üblicherweise deutlich kleinere Kapazität (im nF - Bereich). Einen 2,2 nF-Kondensator habe ich noch vorrätig und werde ihn noch parallel zum jetzt probeweise eingebauten 470 nF X2-Kondensator ausprobieren.

Über den zusätzlich eingefügten Kondensator kann der Störstrom auf der sekundären GND_sek. Leitung zur primären Masse abfliessen. Der Störstrom wird im Trafo parasitär über die Kapazitäten der Wicklungen untereinander kapazitiv eingekoppelt.

Hat das was gebracht?
Habe ich natürlich gleich nachgemessen. Ja, hat was gebracht, die Störsignale auf dem Ausgang haben sich mit dem 470 nF X2-Kondensator halbiert. Ich bin mit Ub = 12 V nun bei nur noch ca. 20 mVss Störanplitude. Also bei dem "guten" Ergebnis, das ich zwischenzeitlich schon mal hatte und später nicht mehr erreichen konnte, nachdem die Leitungsführung etwas geändert war.

Die Messung der Störsignale auf dem Ausgang ist etwas "kniffelig". Man kann die "normale" Oszilloskop-Prüfsonde mit der kurzen Masseleitung mit Kroko-Clip nicht nutzen, da sich die Masseleitung am Krokoclip oder die "Messleitungen"selbst wieder Störungen (als Antenne) einfangen. Gute Erfahrung bei dieser Messung habe ich mit der nur 1 cm langen federnden Massekontaktspitze, die auf die Prüfspitze aufgesteckt wird oder Verwendung des Oszilloskop-Tastkopfs nach der "barrel-Methode" direkt am Netzteilausgang klappt auch gut. Die Qualität des Kontakts der Prüf-und der Massespitze zu den Messpunkten hat ebenfalls einen großen Einfluss.

Prüfspitze.jpg

Zur "barrel-Methode":
youtu.be/K0Mhj7MaOaIyoutu.be/K0Mhj7MaOaI


Der zusätzliche Y-Kondensator (blauer Keramik Y2-Sicherheitskondensator, 2,2 nF, 250 V) parallel zum vorher eingesetzten 470 nF X2-Folienkondensator hat zumindest nicht geschadet. Die Störungen sind damit und bei dem fertigen Gerät im Alu-Gehäuse sehr ordentlich niedrig:

Vom + Ausgang gegen sek.-GND gemessen bei 12 V U_b :



Vom - Ausgang gegen sek.-GND gemessen bei 12 V U_b:



Ich habe zusätzlich zur 1,6 A-Schmelzsicherung noch einen Ein-Aus-Kippschalter eingebaut, eine Verpolungsschutzdiode (3 A, 40 V max) in den Eingang der Versorgungsspannung gelegt, eine LED als Betriebsanzeige über eine mit der LED in Reihe liegenden KSQ-MK_20 Mikro-Konstantstromquelle (leds-and-more.de/Micro-Konstan…20mA-85x6mm-4-28-Volt-MK2 ) von der Ub abgezweigt und Eingangsbuchsen für Bananenstecker und Hohlbuchsenstecker (für Steckernetzteile) vorgesehen.


So sieht's fertig aus, Gleichspannungswandler im Sonntagsanzug:

Eingangsseite:


Ausgangsseite:



Ich habe etwas Leistung dadurch aufgegeben, dass ich den Gate-Vorwiderstand von ursprünglich 20 Ohm auf letztlich 50 Ohm erhöht habe. Der beste Wirkungsgrad mit 20 Ohm war 82 % (mit den Spannungsreglern) und beträgt jetzt mit 50 Ohm Gate-Vorwiderstand noch fast 72 %. Damit habe ich insbesondere Leistung bei sehr niedriger Ub von 6 V verloren, so dass die minimale Eingangsspannung bei einer nennenswerten Last am Ausgang nun 6,5 V beträgt.


Hier die maximale Ausgangsspannung (zwischen + und -), zugehörige Eingangs- und Ausgangsleistung an einer 100 Ohm Last bei verschiedenen Eingangs-(Versorgungs-)Spannungen.

An 100 Ohm Last:

(für vollständige Darstellung Abbildung anklicken!)

An 430 Ohm Last:

(für vollständige Darstellung Abbildung anklicken!)

Die zu Anfang dieses Threads genannten Solldaten ("Pflichtenheft") werden abgeliefert - bis auf die Mindest-Versorgungsspannung, die statt 6,0 V tatsächlich 6,5 V beträgt.



Gruß
Reinhard

Kommt, kommt...
Zunächst noch die fast unendliche Geschichte, weitere Minimierung der EMI-Störungen:

Ich habe die Störungen nochmals um den Faktor zwei verringern können!
Jetzt für alle Kombinationen der Ausgänge

+ gegen -
- gegen +
+ gegen GND
GND gegen +
- gegen GND
GND gegen -

in allen Fällen[b] Störpulse < 10 mV(ss).


Zum Beispiel:
12 V Ub, EMI-Störungen bei Messung + gegen GND (Vertikal: 20 mV/DIV)



dito, mit Oszilloskopeinstellung: vertikal 5 mV / DIV:




Diese Verbesserung kam mit Hinzufügen von 100 nf und 220 nF Keramikkondensatoren (X7R, X5R), vor der Gleichtaktdrossel und besonders nahe an den Ausgängen.

Komplettierte Schaltung, final:



Die zuletzt ergänzten Keramikkondensatoren, die eine starke Verbesserung der EMI-Störungen gebracht haben, sind markiert.


Mittelwellen- und Langwellebstörung durch den DC-Wandler (im Alu-Gehäuse).
Obwohl die leitungsgebundenen Störungen jetzt ziemlich klein sind (typisch 5-8 mVss) und alles in ein Alu-gehäuse eingebaut ist, hat sich an der Störstrahlung des Geräts nicht sehr viel verbessert. Zwar treten auf MW die vorher (als die Störungen noch sehr viel stärker waren) vorhandenen Trägerfrequenzen, die MW völlig verstummen liessen, nicht mehr auf, aber immer noch Pfeifstellen und die immer noch bis zu einem Abstand von ca. 1 m um das Netzteil. Es ist etwas besser als vorher ohne Gehäuse, aber die Beeinflussung auf MW besteht noch.

Ohne Gehäuse liess sich mit einer H-Feld-Sonde insbesondere im Bereich des Trafos und der Masseleitungen und der Trafo-Ein- und Ausgänge ein starkes magnetisches Wechselfeld nachweisen. Jetzt im Gehäuse ist das mit den Sonden, die ich habe, nicht mehr feststellbar. Also hilft selbst das nicht ideale Alu-Gehäuse. Allerdings finde ich mit einer E-Feld-Sonde immer noch ein relativ starkes elektrisches Wechselfeld ausssen um das Alugehäuse, also wird das schlecht abgeschirmt.

Das von mir verwendete Gehäuse hat HF-mässig mehrere Schwachpunkte:
1. Aluminium ist kein idealer Werkstoff, um EM-Felder abzuschirmen. Jedenfalls nicht 1 mm starkes Alu-Blech. Es kann ja magnetisches Wechselfeld nur durch Wirbelstrombildung schwächen. Weicheisen-Blech wäre aufgrund seiner magnetischen Eigenschaft viel wirksamer, um ein magnetisches Wechselfeld abzuschirmen. Die Abschirmung des E-Felds ist auch schlecht, da ich das Gehäuse massefrei gelassen habe (auch weil Ausgangs-GND potentialfrei).
2. Das obere und untere Blech sind nur in einen Falz des Trägerprofils eingeschoben. Die Bleche sind zudem eloxiert. Und sowieso ist Aluminium immer mit einer dünnen dielektrischen Oxidschicht überzogen. Das behindert die Ausbildung von Wirbelströmen über das ganze Gehäuse.

Ich habe das auch vorher gewusst, nur finde ich es schwierig, an geeignete Weissblechgehäuse in passender Grösse und für einfache Bearbeitung und zu akzeptablem Preis zu kommen. Am billigsten wäre es, ein altes PC-Netzteilgehäuse zu entkernen und zu verwenden, das ja aus Eisenblech gemacht ist.

Für mich ist die verbliebene Störung bei einer Reihe von Frequenzen auf MW und LW kein Drama. Die ist übrigens auch leitungsgebunden vorhanden, wenn ich dieses DC-Wandlernetzteil zur Stromversorgung des Radios verwende, auch bei mehr als 1 m Abstand. UKW wird erwartungsgemäss nicht gestört und ist mit diesem Netzteil auch brumm- und rauschfrei. Erstens hatte ich von vornherein damit gerechnet, zweitens setze ich das Netzteil nicht bei AM-Radios ein. Für mich ist es vielmehr ein für alle anderen Zwecke vielseitig verwendbare variable positive und /oder negative oder auch symmetrische Spannungsquelle für "das Labor". Übrigens stört der LCD-Bildschirm meines Digitaloszilloskops auf MW das Kofferradio sehr viel stärker als dieser Schaltnetzteil-Gleichspannungswandler. Nur, damit man das richtig einordnen kann.

Allerdings ist so ein Schaltnetzteil jedem abzuraten, der auf eine absolut saubere Gleichspannung viel Wert legt. Ich weiss ja, welchen Aufwand z.B. Michael treibt, um schon ziemlich saubere Gleichspannung bis ultimo zu glätten und zu filtern, bis wirklich kein Rauschen und kein Ripple mehr nachweisbar ist. Bei Schaltnetzteilen muss man -jedenfalls in der vorliegenden Bauart - immer noch mit wenigstens einigen mV Störsignal leben.


Gruß
Reinhard

Ich habe mir nachträglich mal angeschaut, was man www zum Thema "Ungeregeltes Schaltnetzteil mit NE555" so findet.

Das reicht von

"wie soll ich das machen?"
über
"das geht so doch gar nicht!"
bis
"schmutzige Spannung, wer kann helfen?"


mikrocontroller.net/topic/260499
mikrocontroller.net/topic/276839
mikrocontroller.net/topic/403799
mikrocontroller.net/topic/416268

Sieht danach aus, dass keines der beschriebenen Vorhaben zu einem befriedigenden Abschluß kam. Jedenfalls gab es dort keine abschliessenden Erfolgsmeldungen, stattdessen negative Erfolgseinschätzungen.
Gut, dass ich das vorher nicht gelesen hatte. Mit Andreas, der für dieses Projekt den Anstoß gab und mit wertvoller Unterstützung von ihm und Christian war dieses Vorhaben trotz der Unkenrufe erfolgreich.

Gruß
Reinhard